第3章差动放大电路与集成运放

1、新世纪高职高专教材编审委员会组编主编王成安孟晓明（基础篇）（第三版）第第3 3章章 差动放大电路与集成运放差动放大电路与集成运放3.13.1差动放大电路差动放大电路3.23.2集成运算放大器集成运算放大器第第3 3章章 差动放大电路与集成运放差动放大电路与集成运放直接耦合放大器存在着严重的温漂问题，差动放大电路是解决放大器温漂问题的最有效方法，本章首先要讨论的就是差动放大电路解决温漂的工作原理及进一步抑制温漂的措施。由于差动放大电路对器件要求有着严格的对称性，所以真正实现抑制温漂必须使用集成电路来制作差动放大电路。集成运算放大器是一个典型的应用广泛的集成电路，它具有很高的增益，是一个采用直接耦

2、合方式的多级放大器，其输入级采用差动放大电路，可以有效的减小温漂。通过对通用型集成运放F007的介绍，可以了解集成运放的主要技术指标及其含义。理想运算放大器是分析集成运放工作情况的模型，具有重要的实际意义，分析得到的结论可直接应用到实际电路中去。章首导言3.1差动放大电路差动放大电路直接耦合多级放大器的频率特性好，但随之带来的最突出问题是温度漂移，又叫做零点漂移，简称温漂。产生零点漂移的主要原因是放大器件的参数受温度的影响而发生变化，从而导致了放大电路的静态工作点发生变化。解决温漂的最有效措施就是采用差动放大电路。3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13.1.1典型差动放大电路典型差动放大电

3、路1. 最简单的差动放大电路图是最简单的差动放大电路。信号电压由两个三极管的基极输入，输出电压则取自两个三极管的集电极之间。这个电路的结构具有对称性，这种理想的情况下，每个管子的静态工作点是相同的。差动放大电路的原理图3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13.1.1典型差动放大电路典型差动放大电路2. 差动放大电路对零点漂移的抑制(1) 在静态时对零点漂移的抑制在静态时，ui1=ui2=0，即：IC1=IC2， VC1=VC2，故输出端电压：u0=VC1VC2=0当温度升高时，即：IC1=IC2，VC1=VC2工作点都发生了零点漂移，但由于两个三极管的集电极电位的变化是相同的，所以放大器的输

4、出电压依然不变，即：u0=VC1VC2=0可见，在这种情况下，放大器输出端的零点漂移完全被抑制。3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13.1.1典型差动放大电路典型差动放大电路(2)在动态时对零点漂移的抑制共模信号输入及共模电压放大倍数Auc若有两个信号，其幅度相等、极性相同，则称此两信号为共模信号。如图所示。由于差动放大器两管集电极之间输出的电压为零，所以电路的共模电压放大倍数：差动放大器的两种输入信号0icocucUUA3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13.1.1典型差动放大电路典型差动放大电路 差模信号输入及差模电压放大倍数Aud若有两个信号，其幅度相等、极性相反，则称此两信号为

5、差模信号。如图所示。结论：完全对称的差动放大器只能放大差模信号，不能放大共模信号。这也正是结论：完全对称的差动放大器只能放大差模信号，不能放大共模信号。这也正是差动放大器名称的由来。差动放大器名称的由来。差动放大器的两种输入信号3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13.1.1典型差动放大电路典型差动放大电路放大器的差模电压放大倍数是电路在差模输入信号的作用下产生的，是电路的输出电压与输入电压之比，记作Aud。可以得出：即差动放大器的差模电压放大倍数等于一个单管放大器的电压放大倍数。besLuiiiiuidoudrRRAUUUUAUUA单单2121)(3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13

6、.1.1典型差动放大电路典型差动放大电路 不对称信号输入和共模抑制比如果差动放大电路的输入信号，既不是共模信号也不是差模信号，又应如何处理呢？此时可将输入信号分解成一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动放大电路的输入端。设差模放大电路的输入为 和 ，则差动放大器的差模输入电压Uid是二者之差，即：每一个三极管的差动信号输入为：21iiidUUU)(21212121iiidididUUUUU3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13.1.1典型差动放大电路典型差动放大电路而差动放大器的共模输入电压Uic应为二者的平均值，即：221iiicUUU所以两个单管放大器上所得到的输入信号电压分别

7、为：11idiciUUU12idiciUUU3.1差动放大电路差动放大电路3.1.13.1.1典型差动放大电路典型差动放大电路按照电路分析的电压叠加原理对电路进行计算，可得到差动放大器的输出电压为：Uo=AudUid+AucUic 人们制定了一个指标来衡量放大器对温漂的抑制能力，这就是共模抑制比，其定义为：ucudCMRAAK3.1差动放大电路差动放大电路3.1.2 3.1.2 差动放大器的主要技术指标差动放大器的主要技术指标1. 差模电压放大倍数Aud差模电压放大倍数Aud是在差模输入信号的作用下，输出电压Uod与差模输入电压Uid之比，即：idodudUUA3.1差动放大电路差动放大电路3

8、.1.2 3.1.2 差动放大器的主要技术指标差动放大器的主要技术指标2. 共模电压放大倍数Auc共模电压放大倍数Auc是在共模输入信号的作用下，输出电压Uoc与共模输入电压Uic之比，即icocucUUA 3.1差动放大电路差动放大电路3.1.2 3.1.2 差动放大器的主要技术指标差动放大器的主要技术指标3.共模抑制比KCMR共模抑制比KCMR是差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc的绝对值之比，即：若用分贝为单位表示，则为：共模抑制比KCMR越大，表明差动电路对温漂的抑制能力越强。共模抑制能力越强，电路的零点漂移就越小。ucudCMRAAKucudCMRAAgK2013.1差动放

9、大电路差动放大电路3.1.33.1.3差动放大器的输入、输出方式差动放大器的输入、输出方式1.双端输入、双端输出双端输入、双端输出电路的共模电压放大倍数为：其共模抑制比为：KCMRR0icocucUUA双端输入 、双端输出3.1差动放大电路差动放大电路3.1.33.1.3差动放大器的输入、输出方式差动放大器的输入、输出方式 2.双端输入、单端输出这种工作方式的差模电压放大倍数为：电路的共模抑制比为：besLudrRRA21单双端输入 、单端输出besebesebesudCMRRrRRrRRrRAucAK)(22)1 (3.1差动放大电路差动放大电路3.1.33.1.3差动放大器的输入、输出方式

10、差动放大器的输入、输出方式理论分析和计算都证明：差动放大器只要是双端输出，它的差模电压放大倍数就与单管基本放大器的电压放大器倍数相同；若为单端输出，它的差模电压放大倍数就是单管基本放大器电压放大倍数的一半。所以对于后两种工作方式，将不再分析它的差模电压放大倍数，而只是定性给出它们的特点。3.1差动放大电路差动放大电路3.1.33.1.3差动放大器的输入、输出方式差动放大器的输入、输出方式3.单端输入、双端输出这种接法的特点是：可把单端输入的有极性的信号转换成双端无极性的信号输出，作为下一级的差动输入，适用于负载两端任何一端不接地、而且输出信号要求正负对称性好的情况（如加在示波管的偏转板上的电压

11、）。单端输入 、双端输出3.1差动放大电路差动放大电路3.1.33.1.3差动放大器的输入、输出方式差动放大器的输入、输出方式4.单端输入、单端输出这种接法的特点是：它与单管基本放大电路相比，具有较强的抑制温漂能力，而且可从两个三极管的集电极输出端，得到所需要的同相或反相的输出信号。综上所述，差动放大电路的电压放大倍数仅与电路的输出形式有关。单端输入 、单端输出3.1差动放大电路差动放大电路3.1.33.1.3差动放大器的输入、输出方式差动放大器的输入、输出方式表3-1 差动放大器在四种不同接法时的主要性能和特点比较接法性能双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdK

12、CMR很高较高很高较高beLcrRRR)2/(beLcrRRR)/(21beLcrRRR)2/(beLcrRRR)/(213.1差动放大电路差动放大电路3.1.43.1.4差动放大器的改进电路差动放大器的改进电路1. 基本差动放大器存在着的问题(1)由于电路的非对称性，所以在输出端仍然有温漂信号输出。(2)由于基本差动放大器在电路设计上没有采取稳定Q点的措施，所以当温度变化范围比较大时，Q点本身的移动有可能使差动放大管进入截止区或者饱和区。(3)在实际工程中，常常需要电路输出有极性的信号，即从一个三极管的集电极c1或者c2对地输出信号，从前面的分析可见，这时电路的温漂现象仍然比较严重，只不过是

13、比基本放大器增加了一些抑制温漂的能力而已，远远达不到能实际应用的程度。3.1差动放大电路差动放大电路3.1.43.1.4差动放大器的改进电路差动放大器的改进电路2. 基本差动放大器存在问题的解决方法(1)采用恒流源式差动放大电路恒流源式差动放大器电路图恒流源式差动放大器的简化电路图3.1差动放大电路差动放大电路3.1.43.1.4差动放大器的改进电路差动放大器的改进电路(2)恒流源式差动放大器如何抑制温漂 输入信号是共模信号的情况假设在电路的输入端加上一个正的共模信号，则两个三极管的集电极电流ic1、ic2同时增加，使流过发射极电阻的电流iE增加，于是三极管的发射极电位uE升高，这将导致三极管

14、的发射结电压uBE1、uBE2降低，从而限制了ic1、ic2的增加，起到了降低共模信号放大倍数的作用。 输入信号是差模信号的情况假如在电路的输入端加上一个差模信号，由于两个三极管的输入信号幅度相等而极性相反，所以V1的集电极电流ic1增加多少，V2的集电极电流ic2就减少同样的数量（由于电路的不完全对称性，两个电流会有稍微的差别），因而流过发射极电阻的电流总量基本保持不变，则发射极的电位基本上保持不变，可以认为电路增加了恒流源后，差动放大器对差模信号的放大倍数基本不变。3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.1 3.2.1 集成运算放大器电路的组成及其技术指标集成运算放大器电路的组成及其技术

15、指标1.集成运算放大器电路的组成运算放大器是一种高电压放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合式多级放大电路，由于它最初主要用于在模拟计算机上进行数学运算，故得其名。集成运算放大器则是利用集成电路的制造工艺，将运算放大器的所有元件都做在同一块硅片上，然后再封装起来。3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.1 3.2.1 集成运算放大器电路的组成及其技术指标集成运算放大器电路的组成及其技术指标2. 典型集成运放F007的分析集成运放 F007的电路原理图3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.1 3.2.1 集成运算放大器电路的组成及其技术指标集成运算放大器电路的组成及其技术指标3.集成运

16、放的主要技术指标(1) 开环差模电压放大倍数AodAod是指集成运放在无外加反馈回路情况下的差模电压放大倍数，即：idoodUUA3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.1 3.2.1 集成运算放大器电路的组成及其技术指标集成运算放大器电路的组成及其技术指标3.集成运放的主要技术指标(2) 最大输出电压Uop-p最大输出电压是指在额定的电源电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰峰值。集成运放F007的电压传输特性3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.1 3.2.1 集成运算放大器电路的组成及其技术指标集成运算放大器电路的组成及其技术指标3.集成运放的主要技术指标(3)差模输入电阻rid

17、rid的大小反映了集成运放的输入端向信号源索取电流的大小。(4)输出电阻ro输出电阻ro的大小反映了集成运放在输出信号时的带负载能力。(5)共模抑制比KCMRR共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力。3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.23.2.2理想集成运放及工作特点理想集成运放及工作特点1. 理想运算放大器所谓理想运放，就是将集成运放的各项技术指标理想化，即：(1)开环电压放大倍数Aod=；(2)输入电阻rid=；ric=；(3)共模抑制比KCMRR=；(4)输出电阻rod=03.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.23.2.2理想集成运放及工作特点理想集成运放及工作特点

18、2. 理想运放工作在线性区域时的特点集成运放有两个工作区域：线性区和非线性区。集成运放工作在线性区时，其输出电压与两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即：)(uuAuodo3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.23.2.2理想集成运放及工作特点理想集成运放及工作特点(1)两个输入端电位相等。由于运放工作在线性区，有：理想运放的Aod=,所以必然有： 上式表示理想运放的同相输入端与反相输入端的电位相等，好象这两个输入端是短路一样，这种现象称为“虚短”。)(uuAuodouu3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.23.2.2理想集成运放及工作特点理想集成运放及工作特点(2)理想运放的输入电流等于零由于理想运放的差模输入电阻rid=，因此在其两个输入端均可以认为没有电流输入，即：i+=i=0此时，集成运放的同相输入端和反相输入端的输入电流都等于零，如同这两个输入端内部被断开一样，所以将这种现象称为“虚断”。3.2集成运算放大器集成运算放大器3.2.23.2.2理想集成运放及工作特点理想集成运放及工作特点3. 理想运放工作在非线性区时的特点如果集成运放的